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一、核心概念

1. 进程定义

   • 进程是程序的一次执行实例，是资源分配和调度的基本单位。
   • 特性：动态性、并发性、独立性、异步性、结构性。

2. 进程控制块（PCB）

   • 操作系统通过task_struct结构体（PCB）管理进程，包含：
     • 进程标识（PID、PPID）
     • 状态信息（运行、就绪、阻塞等）
     • 资源信息（内存、打开的文件、信号量等）

3. 进程标识

   • PID（进程ID）：唯一标识进程的正整数。
   • PPID（父进程ID）：创建当前进程的父进程PID。

4. 进程状态

   状态	描述
   运行	正在占用CPU执行指令
   就绪	已获得除CPU外的所有资源，等待调度
   阻塞	因等待事件（如I/O完成）暂停执行
   终止	进程执行完毕或被强制终止

5. 进程与程序的区别

   • 程序：静态的代码文件（如a.out）。
   • 进程：动态的程序执行实例，包含执行上下文和资源。

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二、进程结构

1. 内存布局

   • 代码段：存储可执行指令。
   • 数据段：存储全局变量和静态变量。
   • 堆段：动态分配的内存（如malloc）。
   • 栈段：存储局部变量和函数调用信息。

2. 进程模式

   • 用户模式：执行用户程序，权限受限。
   • 内核模式：执行系统调用或中断处理，可操作特权指令。

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三、进程操作函数

1. 创建进程（fork）

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);  // 返回值：子进程返回0，父进程返回子进程PID，失败返回-1

示例：创建子进程并区分父子进程逻辑

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main() {pid_t pid = fork();if (pid == 0) {printf("子进程PID: %d\n", getpid());  // 子进程逻辑} else if (pid > 0) {printf("父进程PID: %d, 子进程PID: %d\n", getpid(), pid);  // 父进程逻辑} else {perror("fork失败");}return 0;
}

输出：

父进程PID: 1234, 子进程PID: 1235
子进程PID: 1235

2. 进程退出（exit vs _exit）

• exit：清理缓冲区后退出（如刷新stdio流）。
• _exit：直接终止进程，不清理缓冲区。

#include <stdlib.h>
void exit(int status);        // 标准退出函数
#include <unistd.h>
void _exit(int status);       // 直接终止进程

3. 进程替换（exec函数族）

#include <unistd.h>
int execl(const char *path, const char *arg, ... /* NULL */);  // 路径+参数列表
int execv(const char *path, char *const argv[]);               // 路径+参数数组
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);            // 文件名+自动搜索PATH

示例：使用execlp执行ls命令

#include <unistd.h>int main() {execlp("ls", "ls", "-l", NULL);  // 替换当前进程为ls -lperror("exec失败");              // 若exec失败才会执行return 1;
}

4. 进程等待（wait）

#include <sys/wait.h>
pid_t wait(int *status);  // 等待任意子进程结束，返回子进程PID

示例：父进程等待子进程结束

#include <stdio.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>int main() {pid_t pid = fork();if (pid == 0) {printf("子进程运行\n");sleep(2);_exit(0);} else {wait(NULL);  // 阻塞等待子进程结束printf("子进程已终止\n");}return 0;
}

输出：

子进程运行
（2秒后）
子进程已终止

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四、综合例题

题目：使用fork和exec实现一个简单的Shell，执行用户输入的命令。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>int main() {char command[256];while (1) {printf("> ");fgets(command, sizeof(command), stdin);command[strcspn(command, "\n")] = '\0';  // 去除换行符pid_t pid = fork();if (pid == 0) {  // 子进程执行命令execlp(command, command, NULL);perror("命令执行失败");_exit(1);} else if (pid > 0) {  // 父进程等待子进程结束wait(NULL);} else {perror("fork失败");}}return 0;
}

输出示例：

> ls
file1.txt  file2.txt
> pwd
/home/user

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五、常见问题

1. fork后的执行顺序：父子进程执行顺序由调度器决定，无法预知。
2. 僵尸进程：子进程终止后未被父进程wait回收，需通过信号处理或显式回收避免。
3. exec函数族的选择：
   • execlp/execvp：自动搜索PATH环境变量。
   • execle/execve：可指定自定义环境变量。

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总结

1. 进程管理核心：通过fork创建进程，exec替换进程映像，wait同步进程。
2. 关键区别：
   • exit与_exit：前者清理缓冲区，后者直接终止。
   • fork返回值：父进程返回子进程PID，子进程返回0。
3. 应用场景：
   • 多任务处理（如Web服务器）。
   • 进程间通信（需结合管道、信号等机制）。
   • 实现Shell或任务调度器。

通过掌握进程控制函数，能够编写高效的多进程程序，充分利用系统资源。